一种基于等效辐射源的混响室多次反射散射计算方法与流程

本发明涉及计算电磁学、电磁兼容测试及混响室数值仿真，具体涉及一种基于等效辐射源的混响室多次反射散射计算方法。

背景技术：

1、混响室由高反射率金属壁面构成封闭腔体，通过机械搅拌器改变边界条件和传播路径，使多方向、多极化电磁波在工作区域内叠加，形成统计均匀、各向同性且随机极化的电磁环境。随着大型电子系统电磁兼容试验需求增加，混响室尺寸和内部结构日趋复杂，通常包含腔壁、多个搅拌器、待测物体及支撑结构。对于电大尺寸混响室，采用有限元法、时域有限差分法或矩量法等全波方法，需要划分大量网格，计算时间长且内存占用高。

2、现有高频射线方法虽可用于电大尺寸目标，但多面向开放空间，通常采用平面波激励，并以雷达散射截面或远区散射场为输出。现有混响室技术主要集中于搅拌器优化、场均匀性测试或天线方向图反演，尚未实现以实际天线远场方向图为输入，在完整封闭模型中统一跟踪腔壁、搅拌器和待测物体之间的多次反射，并按反射阶次计算接收复电场。此外，直接应用一般反射射线法还存在射线命中不一致、自相交以及方向、极化、反射系数和相位同步更新困难等问题。

技术实现思路

1、发明目的：为解决大尺寸混响室环境下电磁波多次反射传播难以快速准确计算的问题，本发明提出了一种基于等效辐射源的混响室多次反射散射计算方法，通过将天线远场方向图数据与反射射线法（shooting and bouncing rays，sbr）相结合实现电大尺寸混响室数值仿真，该方法用于模拟混响室内腔壁、搅拌器及待测物体之间的多次反射与散射，并计算接收点处的复电场，通过获取不同接收位置处多次反射传播路径叠加形成的复电场，实现对大型混响室内部电磁场分布特性的预测，为混响室结构优化、电磁兼容测试环境评估及测试方案设计提供依据。

2、技术方案：第一方面，本发明提出了一种基于等效辐射源的混响室多次反射散射计算方法，包括：

3、步骤1：构建混响室对应的三角网格模型，所述三角网格模型由多个三角面元组成，为每一个三角面元配置并保存至少四类标识信息，所述四类标识信息包括腔壁编号、部件编号、连续反射面组编号以及材料编号；其中，所述连续反射面组编号用于标识物理上连续且共面或光滑连接的三角面元集合；

4、步骤2：基于发射天线的方向图生成初始射线管，并为每个初始射线管确定与其发射位置处电磁场分布对应的入射复电场和入射复磁场；所述初始射线管为三角截面射线管，由一条中心射线和三条顶点射线构成；记录每个初始射线管的发射起点作为该射线管对应的射线源点；

5、步骤3：为所述三角网格模型构建包围体层次结构，用于加速射线与三角面元的求交计算；

6、步骤4：在第n次反射射线追踪时，基于所述包围体层次结构计算当前射线管的中心射线与所述三角网格模型的最近交点，根据所述最近交点所命中的三角面元的法向量，确定中心射线的反射方向单位矢量，同步跟踪射线管的三条顶点射线，分别计算各顶点射线在下一反射位置处的实际交点，并获取所述实际交点所对应的三角面元信息；

7、步骤5：根据入射方向单位矢量、反射方向单位矢量和所述最近交点所命中的三角面元的法向量，结合所述三角面元的材料编号对应的材料电磁参数，计算得到反射复电场与反射复磁场；

8、基于所述反射复电场与反射复磁场，采用物理光学近似计算当前反射对应的射线-面元交点处的等效表面电流，将该等效表面电流作为等效辐射源；其中，所述当前反射对应的射线-面元交点为步骤4中确定的当前射线管的中心射线与三角网格模型的最近交点；根据所述反射复电场与反射复磁场，更新当前射线管的传播方向，以及用于下一次反射计算的入射复电场和入射复磁场；

9、步骤6：基于腔壁编号、部件编号和连续反射面组编号，根据当前射线管的中心射线与三角网格模型的最近交点信息，确定距离射线源点最近的有效交点，并获取该有效交点对应的三角面元信息；基于步骤4获取的三条顶点射线的实际交点及其对应的三角面元信息，结合中心射线命中的三角面元信息，判断当前射线管的中心射线与其三条顶点射线是否命中同一连续反射面；若中心射线与三条顶点射线命中同一连续反射面，则根据三条顶点射线的实际命中点构造下一反射位置处的射线管截面，并对射线管的入射复电场和入射复磁场进行更新；

10、若中心射线与顶点射线命中不同的物理表面，则以中心射线与三角网格模型的最近交点作为射线管截面重构基准点，并根据中心射线的反射传播方向重构射线管截面；当无法形成有效射线管截面时，终止相应的射线传播分支；

11、对于未终止且已重构或更新截面的射线管，将下一条反射射线的起点沿所述反射方向单位矢量进行预设偏移，以偏移后的射线为起点基于所述包围体层次结构重新执行步骤4；

12、步骤7：基于所述最近交点所命中的三角面元的法向量、入射复电场、入射复磁场、反射复电场与反射复磁场，计算经过n次反射的第p条传播路径对应的等效辐射源对第q个接收位置产生的复电场，按照当前的反射次数，将属于同一反射阶次的所有有效传播路径所产生的复电场贡献进行复数累加；

13、步骤8：判断是否达到最大反射次数，若达到，则对各反射阶次的所有有效传播路径所产生的复电场进行累加，得到第q个接收位置处的累计复场；若未达到，则n=n+1，执行步骤4。

14、进一步的，所述基于发射天线的方向图生成初始射线管，包括：

15、遍历所述三角网格模型中的三角面元，基于发射天线的辐射方向图及视场角范围，筛选出被所述发射天线直接照射的候选三角面元；

16、对所述候选三角面元执行遮挡判断，剔除被其他三角面元遮挡的阴影区面元，保留有效照射面元；

17、针对每一所述有效照射面元，以该有效照射面元的几何中心作为中心射线的命中点，以该有效照射面元的三个顶点分别作为三条顶点射线的命中点；

18、由所述发射天线的相位中心分别向所述中心射线的命中点及三条顶点射线的命中点发射射线，构建形成具有三角形截面的初始射线管。

19、进一步的，所述为每个初始射线管确定与其发射位置处电磁场分布对应的入射复电场和入射复磁场，包括：

20、建立由三个两两正交的单位矢量、、构成的天线局部坐标系，满足；基于发射天线位置为和初始射线管中心位置为，确定射线在混响室全局坐标系下的初始传播方向矢量；并将其转换至所述天线局部坐标系中得到局部方向矢量；根据所述局部方向矢量确定方向图查询角，并在预设的天线方向图数据中进行插值运算，获取两个正交极化的复场分量；

21、将所述两个正交极化的复场分量转换至混响室全局坐标系下以构建复场矢量，并基于所述复场矢量确定初始电场极化方向及初始磁场极化方向；

22、根据预设的功率与增益关系，计算初始射线管中心处的电场幅值和磁场幅值；

23、结合电场幅值、磁场幅值、初始电场极化方向及初始磁场极化方向，确定初始射线管的入射复电场和入射复磁场。

24、进一步的，所述根据入射方向单位矢量、反射方向单位矢量和所述最近交点所命中的三角面元的法向量，结合所述三角面元的材料编号对应的材料电磁参数，计算得到反射复电场与反射复磁场，包括：

25、基于所述入射方向单位矢量和所述最近交点所命中的三角面元的法向量确定入射平面，并构建所述入射平面的横电极化基矢量和横磁极化基矢量；将入射复电场和入射复磁场分别投影至所述横电极化基矢量和横磁极化基矢量，得到入射横电分量和入射横磁分量；

26、根据所述最近交点所命中的三角面元的材料电磁参数、工作频率以及入射角，确定对应的横电复反射系数和横磁复反射系数；

27、利用所述横电复反射系数对入射横电分量进行加权，并利用所述横磁复反射系数对入射横磁分量进行加权，合成得到反射复电场与反射复磁场。

28、进一步的，所述对射线管的入射复电场和入射复磁场进行更新，包括：

29、追踪当前射线管的中心射线及顶点射线至下一反射位置，确定射线管在所述下一反射位置处的截面形状，并计算其原始截面面积；

30、计算所述原始截面面积在垂直于传播方向平面上的投影，得到有效截面面积；

31、基于所述有效截面面积与初始发射处或上一反射处截面面积的比值，确定场幅修正系数；利用所述场幅修正系数对射线管的入射复电场和入射复磁场的幅值进行缩放，完成更新。

32、进一步的，所述基于所述最近交点所命中的三角面元的法向量、入射复电场、入射复磁场、反射复电场与反射复磁场，计算经过n次反射的第p条传播路径对应的等效辐射源对第q个接收位置产生的复电场，包括：

33、基于所述最近交点所命中的三角面元的法向量、入射复电场与入射复磁场、以及反射复电场与反射复磁场，根据等效原理计算该最近交点所命中的三角面元上的表面等效电流与表面等效磁流，作为该三角面元的等效辐射源；

34、基于当前射线管的中心位置坐标以及第q个接收位置的坐标，计算从所述最近交点所命中的三角面元指向第q个接收位置的传播方向矢量与空间距离；

35、基于所述等效辐射源、当前射线管覆盖的三角面元区域、所述传播方向矢量及空间距离，对所述最近交点所命中的三角面元区域执行物理光学积分，计算得到经过n次反射的第p条传播路径对第q个接收位置产生的复电场。

36、第二方面，本发明提出了一种电子设备，电子设备包括：

37、至少一个处理器；

38、以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

39、其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行一种基于等效辐射源的混响室多次反射散射计算方法。

40、第三方面，本发明提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现一种基于等效辐射源的混响室多次反射散射计算方法。

41、第四方面，本发明提出了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现一种基于等效辐射源的混响室多次反射散射计算方法。

42、有益效果：本发明旨在不建立发射天线精细结构模型的情况下，利用天线方向图表征实际辐射特性，并采用反射射线法计算大型混响室内腔壁、搅拌器和待测物体之间的多次反射，获得各接收位置的分阶复电场和累计复电场，以提高电大尺寸混响室多工况仿真的计算效率。